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1、华中科技大学 博士学位论文 镁（铝）合金真空低压消失模铸造工艺优化及组织质量控制研 究 姓名：李继强 申请学位级别：博士 专业：材料加工工程 指导教师：樊自田 20080524 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 真空低压消失模铸造技术将低压铸造的原理应用于真空消失模铸造中，使得液 态镁（铝）合金在真空和较低气压作用下反重力充填消失模铸型，它比压力铸造、 砂型铸造和普通消失模铸造具有明显的优势。本研究从实际应用出发，针对镁合金 真空低压消失模铸造工艺的特点，系统研究了主要充型工艺参数对铸件质量的影响 规律；结合国内外镁
2、合金改性现状，探讨了改善镁合金铸态组织和提高性能的方法。 在分析普通消失模铸造充型工艺理论的基础上，探讨了真空低压消失模铸造的 工艺规范，推导了加压速度 dP d 充 与气体流量Q、凝固过程中补缩机理的数学关系式。 真空低压消失模铸造过程中， 当气源初始充型气压一定时， 液态金属的加压速度 dP d 充 与充气流量Q呈线性正比关系，充气流量Q越大，加压速度 dP d 充 就越快，液态金属 的充型速度也就越大。合金成份、浇注温度确定以后，对于晶间同一部位，单位时 间内补缩液流经过晶粒的数量N主要取决于凝固结晶时的保压压力P 保， 保压压力P保 越大，补缩液流经过晶粒的数量N越多，补缩能力就越强，
3、组织也就越致密。 采用阶梯试样对镁合金真空低压消失模铸造中的工艺参数进行了系统研究，掌 握了浇注温度、真空度、充气流量、充型与抽真空耦合方式等因素对铸件质量的影 响规律，确立了镁合金真空低压消失模铸造技术的最佳充型工艺参数范围：浇注温 度 710750、真空度 0.020.03MPa、充气流量 814m3/h、采用先充型再抽真空的 模式以及开放式浇注系统。复杂薄壁铸件一般选择工艺参数值的上限（如：浇注温 度 750等） ，简单厚壁铸件可以选择工艺参数值下限。 分析了镁合金真空低压消失模铸件中典型缺陷的物理特征及形成原因。孔洞缺 陷可通过适当降低浇注温度、充型速度、真空度以及改善涂料层的透气性和
4、调控充 型与抽真空的耦合模式等来消除；浇不足、冷隔缺陷可以适当调节浇注温度、充型 速度等来抑制；粘砂缺陷可以通过合理增加涂料厚度、控制真空度和浇注温度、选 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 II 用粒径较小的干砂造型来消除。 系统研究了机械振动、Ce-Sb复合合金化以及半固态热处理对镁合金消失模铸件 组织和性能的影响，表明三种方法均能细化AZ91D镁合金消失模铸造试样的显微组 织、提高其室温力学性能。 （1）振动凝固条件下镁合金消失模铸造试样的组织、性 能随试样厚度增加效果越好； （2）0.4%Sb1.0%Ce为最佳合金化配比，合金
5、化后基 体中生成了粒状CeSb相和杆状相Al11Ce3相，合金化试样的抗拉强度、延伸率比未合 金化处理试样分别提高了35.5%和36.7%，合金化叠加振动可以进一步细化AZ91D镁 合金铸态组织、提高力学性能，比单纯合金化试样的抗拉强度、延伸率分别提高了 11.2%和11%，断口中少量的韧窝和大量的撕裂棱同时出现，表明试样在拉伸过程中 已有明显的塑性变形特征； （3）半固态等温热处理工艺下可以得到形状圆整的球状 晶组织，抗拉强度、延伸率比铸态试样分别提高了32.4%和83.4%，最佳的工艺方案 是530保温60min后取出水冷。 散热片、制动器缸盖等消失模铸件的试制实验结果表明，真空低压消失模
6、铸造 工艺具有较强的充型能力，可以消除重力下镁（铝）合金消失模铸件中常出现的浇 不足、冷隔等缺陷，获得外观轮廓良好的铸件，该工艺对于生产复杂薄壁的镁（铝） 合金铸件具有非常明显的技术优势。 关键词：关键词：真空低压消失模铸造; 镁（铝）合金; 工艺优化; 铸造缺陷; 质量控制; 显 微组织; 力学性能 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 III Abstract The low-pressure expendable pattern casting (LP-EPC) process applies the principle of l
7、ow-pressure casting to expendable pattern casting (EPC), in which the melt metal is filled under anti-gravity condition at low pressure. It obviously gains the advantages over die-casting, sand casting and conventional EPC process. In the present dissertation, the effect of main processing parameter
8、s on LP-EPC castings has been investigated systematically, which aims at the application of LP-EPC. Based on the modification of magnesium alloy, this study focuses on the methods to modify as-cast microstructure of magnesium alloy and improve its mechanical property. Based on analysis of theory in
9、conventional EPC process, the technical parameters of LP-EPC were discussed. And the relations linking lifting pressure velocity dP d 充 with gas fluxQ, as well as the mechanics of solidification feeding in LP-EPC process were established. It was pointed that linear relation was existed between lifti
10、ng pressure velocity dP d 充 and gas fluxQ when the initial pressure of air supply was a certain value. The more gas fluxQ flowed in the crucible, the faster filling velocity. The grain numberNof feeding melt metal flowing per unit of time at identical inter-granular location is mainly depended on ho
11、lding pressureP 保when the alloy composition and pouring temperature have been selected. As the holding pressure increases, the grain number of feeding melt metal flowing would increase, the feeding capacity would become intensive and the microstructure would become more compact also. In this study,
12、researches are focused on the effect of process parameters on the LP-EPC casting quality of AZ91D by using ladder samples. Those samples were tested for different combinations of the LP-EPC process parameters. Specifically, pouring temperature, vacuum level, filling velocity and coupling action of a
13、bove factors were manipulated to observe their effect on the porosity and density distribution of casting. The optimal process parameters for the castings are pouring temperature 710750, vacuum 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 IV level 0.02-0.03MPa, gas flux 814m3/h. The unpressurized
14、 gating system and coupled modes of filling several seconds before suction also be selected. Complicated thin-walled castings require an upper limit magnitude（e.g. pouring temperature 750） ，and simple thick-walled casting should use lower limited magnitude。 The physical feature and genesis of typica
15、l casting defects of LP-EPC process for magnesium castings were investigated. The result indicated that hole defects could be avoided through reducing pouring temperature, filling velocity and vacuum level, improving the permeability of coating as well as adjusting coupled modes of filling mold and
16、vacuum level. Misrun and cold laps can be restricted by proper adjustments on pouring temperature and filling velocity, etc. While burning-on defect can be eliminated by increasing coating thickness，decreasing pouring temperature and vacuum，selecting smaller size sand to mold. Mechanical vibration,
17、Ce-Sb alloying and semi-solid isothermal heat-treatment were used to improve the structure and performance of AZ91D magnesium alloy via EPC process. The result indicated that above three methods could refine its microstructure and improve tensile strength at room temperature: (1) The performance of
18、AZ91D alloy via EPC process was improved when the casting was produced under mechanical vibration, and the microstructure evolved refiner and mechanical property became higher as the thickness of sample increase. (2) The optimal alloying composition was AZ91D with the addition of 0.4% Sb and1.0% Ce.
19、 Some new granulated CeSb and rod-shaped Al11Ce3 phases had been formed, which are present at the grain boundary and intracrystalline. Compared to AZ91D, the ultimate tensile strength and elongation of AZ91D-1.0%Ce-0.4%Sb alloy are enhanced by 35.5% and 36.7%, respectively. Ce-Sb alloying compound w
20、ith mechanical vibration could further refine its microstructure and improve tensile strength. Its ultimate tensile strength and elongation were improved by11.2，11. The morphology of tensile fracture has more features of quasi-cleavage. It indicates that has had the bigger plastic deformation before
21、 failure. (3) When AZ91D magnesium is heat-treated at semi-solid temperature, the reticular -Mg17 Al12 phase almost solutionizes in matrix and primary grain gradually evolves into 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 V spheroidal shape. Its ultimate tensile strength and elongation were im
22、proved by32.4， 83.4. The optimal process parameters of semi-solid isothermal heat-treatment are 560 60min, cooling in water. The trail manufacture of plate-fin cooler and compressor cylinder head indicated that LP-EPC possess has great mold filling ability which could largely reduce or overcome the
23、defects like misrun and cold laps encountered in conventional EPC process. The complex thin-walled Mg (Al) alloy castings can be produced perfectly by LP-EPC, so the process is very suitable for casting Mg (Al) alloy parts with complex geometries and high dimensional tolerances. Key words: Low-press
24、ure Expendable Pattern Casting (LP-EPC); magnesium (aluminum) alloy; technology optimization;casting defect; quality control; microstructure; mechanical property 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本
25、声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论
26、文 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 本课题研究的背景和意义 能源、环境和安全是当今世界各国极为关注的三大问题，资源消耗少、环境污 染轻、技术含量高是制造业发展的三大目标。因此高性能轻质材料的不断开发和应 用越来越引起各行各业的关注。镁合金作为轻质的金属结构材料，己经得到越来越 多的研究和关注1-3。国内外研究机构近年来均在镁及镁合金的研究上倾注了大量的 人力和财力，美国、德国、澳大利亚、日本等工业发达国家于 20 世纪 90 年代以来 相继出台了各自的镁及镁合金研究计划，投资数十亿美元，协调各方面的研究力量， 实施大型的综合性攻关。 我国的镁蕴藏量居
27、世界第一，约占全球总量 50以上，但镁合金并没有像铝合 金那样得到很广泛的应用。镁锭廉价出口，同时又以几十倍、几百倍的高价从国外 进口镁合金产品。为了促进镁合金材料的研究开发和应用，国家对镁合金成形技术 的研发给予了高度重视，国家高技术研究发展计划（863）、国家自然科学基金和国 家科技攻关计划等对镁合金的应用研究和产业化给予了大力支持，一些高校、研究 所、企业和公司也纷纷成立镁合金研究推广中心，大量展开镁合金及其加工技术的 研究。 与铸钢、铸铁和铝合金相比，镁合金的精密铸造成形技术发展相对缓慢，主要原 因是镁合金在熔化和液态成型过程中易氧化燃烧、安全保护措施要求严格、液态成 形加工较为困难。
28、目前，用于镁合金零件的铸造成形方法较为单一，主要是压力铸 造（约 90%） 、少数是重力下的砂型铸造。镁合金的压力铸造，具有生产效率高、铸 件的精度高和表面粗糙度低的优点，但模具和设备的投资大，压铸件的结构因压铸 模具结构及工艺等因素受到一定限制；同时由于金属液以高速紊流和弥散状态充填 压铸型，容易卷气、氧化形成微气孔，使得压铸件通常不能进行热处理强化。近年 来虽然出现了真空压铸、充氧压铸、实时控制多级压射等压铸新工艺，但这些新工 艺的设备系统更复杂、成本更高、技术难度也更大，一时尚难普遍应用。普通的砂 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论
29、 文 2 型铸造，投资少、广大中小厂容易采用，但其铸件的精度低、粗糙度高、生产率也 较低，越来越难满足不断提高的需求。所以，开发适合于镁合金特点的新的精密铸 造成形工艺技术十分必要，并具有重大意义。 消失模铸造（ Lost Foam Casting，LFC；或Expendable Pattern Casting，EPC）， 又称实型铸造（ Full Moulding Casting，FMC），它是采用与所需铸件形状、尺寸完 全相同的泡沫塑料模代替铸模进行造型，模样不取出呈实体铸型，浇入金属液、气 化并取代泡沫模样后形成理想的铸件。自上世纪六十年代消失模铸造技术问世以来， 随着化工和机械工业的迅
30、速发展，消失模铸造技术日臻完善，在工业中获得了广泛 的应用，尤其是在汽车行业中收效显著。 华中科技大学，将反重力的低压铸造与真空消失模铸造有机地结合起来，发明 了“镁(铝)合金真空低压消失模铸造方法及其设备” （ZL02115638.7）4，并在国家 自然科学基金“可控气压下镁合金消失模铸造充型特征及界面作用” （编号为 50275058）的资助下，开展了一系列镁合金消失模铸造基础研究及应用基础研究， 为镁（铝）合金真空低压消失模铸造方法及其设备的实际应用奠定了基础。 镁合金真空低压消失模铸造方法结合真空消失模铸造和低压铸造的优势，使得 液态镁合金在较低气压作用下反重力充填消失模铸型，它比已有
31、的镁合金成形工艺 具有明显的优势： （1）真空低压消失模铸造使得镁合金消失模铸造在可控的气压下完成充型过 程，大大提高了镁合金溶液的充型能力，消除了镁合金重力消失模铸造中常出现的 浇不足缺陷；整个充型冷却过程中，液态镁合金不与空气接触，且泡沫模样的热解 产物对液态镁合金具有自然保护作用，消除了液态镁合金浇注充形时的氧化燃烧现 象，可铸造出光整、优质、结构复杂的镁合金铸件。 （2）充型过程平稳，能克服压铸时的气孔缺陷，使镁合金铸件可通过热处理进 一步提高力学性能；在充型完成后，及时给予金属液面以一定的压力，使金属液在 压力下凝固，增强了补缩，得到组织细密的铸件。 （3）与压铸工艺相比，它具有设备
32、投资小、生产成本低、铸件内在质量好等优 点；而与砂型铸造相比，它又有铸件的精度高、表面粗糙度好、生产率高的优势， 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 3 同时可以较好地解决液态镁合金成形时易氧化燃烧的问题。 目前，对镁合金真空低压消失模铸造成形工艺进行的基础研究仍以定性研究为 主，得出的评价工艺因素好坏标准还主要是充型能力和流动性（即流动长度），对 铸件内部质量优劣考虑不够，工艺参数的选择以经验为主，缺乏一个通用数理模型 作为设计准则。再者镁合金消失模铸件的强度偏低，还有很大的提升空间。因此， 在现有研究基础上结合不同铸件，优化镁合金
33、真空低压消失模铸造的工艺参数、提 高铸件的性能，并提出一个比较通用的工艺设计原则是该技术推广应用的关键所在。 本课题是国家自然科学基金项目“可控气压下镁合金消失模铸造充型特性及界 面作用” （编号：50275058）的后续研究，也是国家高技术研究发展计划（863）资 助项目“振动压力场作用下镁（铝）合金消失模铸造技术研究” （编号： 2007AA03Z113） 的重要组成部分， 主要目标是进一步探讨振动、 压力场作用下镁 （铝） 合金消失模铸造的成形、凝固特性，优化工艺参数并对AZ91进行合金化处理，选择 半固态等温热处理工艺以获得优质的镁合金铸件，从而充实可控气压下镁合金充型 凝固理论，并为
34、这一新技术的工业应用奠定基础。 1.2 国内外镁合金消失模铸造研究现状国内外镁合金消失模铸造研究现状 从国内外的现状来看，黑色金属消失模铸造生产已经进入快速增长的成熟期， 铝合金消失模铸造生产规模也在逐步扩大，镁合金消失模铸造则处于探索阶段。与 黑色金属相比，镁合金消失模铸造的主要特点如下： （1） 由于浇注温度比较低， 充型能力相对较差， 为此必须提高熔炼和浇注温度， 由此引起的不良影响是增加了熔炼时氧化吸气倾向，更容易导致铸件气孔和夹杂等 缺陷的产生； （2）因用干砂充填造型，铸件冷却速度慢（消失模铸件的冷却凝固速度比粘土 砂型铸造慢），对于凝固区间很大的AZ91D镁合金来说，铸件呈糊状凝
35、固，组织粗 大，更易产生缩孔、缩松缺陷，致使铸件的力学性能偏低。 针对镁合金消失模铸造的以上特点，近年来研究的重点集中在如何提高液态镁 合金的充型能力和改善铸件组织性能方面。下面就充型特性、凝固特征和组织性能 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 4 改善等方面概括近年来镁合金消失模铸造的研究进展。 1.2.1 镁合金消失模铸造充型特性镁合金消失模铸造充型特性 消失模铸造充型过程是一个十分复杂的物理化学过程，既发生着气相、液相和 固相物质间的传质传热反应，又有复杂的化学反应、合金相变等。铸件的宏观和微 观缺陷都是在充型过程中因模样热解产
36、物的不完全排除而造成的，这些缺陷的形成 与充型过程中液态金属前沿的流动形态和速度密切相关。 （1）流动形态 1）模样材料和涂料层的影响 模样材料密度对流动形态的影响很小，而密度梯度对流动形态则有较大影响， 表现为发泡成形的模样与板料加工模样相比，因从表面至中心的密度梯度较大，使 液态金属的流动前沿较为凸起5-6。 涂料层对充型过程的影响主要体现在阻碍模样分解产物的逸出，其性能是影响 和控制流动形态和铸造缺陷形成的一个最主要的工艺因素7-8。对于铝合金等轻金属 来说，采用高透气性的涂料，金属前沿的流动形态平坦但不稳定，尤其在低密度模 样中，有时出现凹形的形状；而采用低透气性的涂料，金属前沿的流动
37、形状呈明显 的凸形，并相对于模样浇口较为对称9。 （a）680浇注 (b) 710浇注 (c) 740浇注 图图 1-1 不同浇注温度下单浇口平板的流动前沿形态（真空度不同浇注温度下单浇口平板的流动前沿形态（真空度 0.02MPa, 模样密度模样密度 0.02 g/cm3） 0.5s 7s 12s 1.5s 1s 0.5s 1s 5s 7s 9s 1.5s 6s 0.5s 0.25s 1s 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 5 2）浇注温度的影响 浇注温度是消失模铸造过程中重要的工艺参数之一。田学锋 10研究了低真空充 型时，不同浇
38、注温度对单浇口底注平板试样流动前沿形态的影响（如图 1-1 所示） 。 不同浇注温度下，液态镁合金的充型形态基本均呈凸弧形平稳向前推进，浇注温度 对液态金属前沿流动形态影响不大。 3）真空度的影响 真空度对液态镁合金的流动形态有着较大的影响。 文献 10-15 认为不抽真空或真 空较低时AZ91 镁合金液前沿呈微凸形平缓地向前推进， 真空比较大时， 金属液会优 先沿模样壁充填型腔而使流动前沿呈不规则的凹形形态，并且流动形态的凹形程度 随真空度的提高而增大（如图1-2所示）。这是因为真空度较低浇注时， 涂层中的液 态产物不会很快气化排出， 最终可能导致涂料吸收液态产物达到饱和状态，涂料中 的空隙
39、全被充满， 模样热解产物在金属-涂料-模样界面处狭窄的涂料通道排除型腔的 过程非常缓慢， 这样大部分的液态模样热解产物将积聚在金属-模样-涂料界面附近并 停留较长的时间。 在金属-模样-涂料界面附近积聚的液态产物增加了该处的金属液流 动阻力和传热阻力，而液态金属在金属-模样界面中心较模样壁处的热量损失少、动 量大，故靠近模样壁处的泡沫熔融速度小于在模样中心处的泡沫熔融速度，因此液 态金属前沿的流动总是以金属-模样界面中心为先导呈现为微凸形的流动形态。 当真空度较高浇注时，铸型中形成负压，在金属-模样界面中心至模样壁穿过涂 料层再到周围型砂的方向上存在一正的压力梯度，它与模样分解产物的排除方向是
40、 一致的。在充型过程中由于靠近模样壁区的负压较高，使该区的分解产物排除迅速， 造成模样壁处金属液以较快的速度领先于模样中心充填型腔，从而使金属前沿呈现 出凹的形态（即“附壁效应”），随着真空度的进一步提高，金属流动前沿将越不 规则。张大付 16认为真空低压消失模铸件中所产生的卷气、集中性气孔等缺陷正是 由于真空度过大引起的“附壁效应”，使得模样裂解产物被金属液包裹所致。 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 6 （a）0 MPa (b)0.02 MPa (c) 0.04 MPa 图图 1-2 不同真空度下单浇口平板的流动前沿形态（浇注温
41、度不同真空度下单浇口平板的流动前沿形态（浇注温度 710, 模样密度 模样密度 0.02 g/cm3） 4）充气流量的影响 吴和保17研究了在不同充气流量下 L 形试样和平板形试样液态镁合金前沿的等 时曲线（如图 1-3 所示） 。当充气流量较小时，金属前沿的形貌呈现以内浇口为中心 的拱形流动；随着充气流量的增加，金属液流动前沿拱形形貌更加突出；充气流量 继续增大，金属液流动前沿失去平衡，出现非稳定流动现象。 (a) 1m3/h (b) 3m3/h (c) 5m3/h (a) 1.0 m3/h (b) 3.0 m3/h (c) 5.0 m3/h 图图 1-3 液态镁合金前沿的等时曲线图液态镁合
42、金前沿的等时曲线图 （2）充型速度 1）模样材料的影响 由于模样密度直接决定了参与分解的高聚物的质量，因此模样密度必然会对金 属充型速度有一定影响。研究结果表明18-21： EPS 模样密度的越大，吸收的热量也 0.5s 1s 5s 7s 9s 0.75s 1.5s 2.5s 0.25s 0.5s 4s 1s 3.5s 12s 12.5s 10s 0.7 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 7 就越多，从而使得合金的平均充型速度下降越快。这主要是由于模样密度越高，一 方面发生热解需要的热容量越大，造成液态金属的温度下降较快，从而导致充
43、型速 度下降；另一方面模样密度越高，在单位时间产生的热解产物越多，大量聚集在金 属前沿的热解产物必然会阻碍液态金属的充填，同样也会造成充型速度下降。尽管 降低模样材料的密度可以提高合金的流动性，但是在实际生产中，还要考虑模样的 强度和表面质量，选用的模样材料密度一般不应该太低。目前，北美的一些生产厂 家已经开始使用表面密度大，内部密度小的材料以满足生产的需要。在生产薄壁件 时，为了避免造型过程中模样的变形，选用的模样材料密度可以适当大些，以增加 模样强度和表面质量。 2）涂料性能的影响 镁合金消失模铸造中，涂料层对液态分解产物溢出速度的影响比对气态产物大 得多22-24，因此涂层对充型速度影响
44、的显著性与模样分解产物的类型及数量有关。 在镁合金的浇注温度范围内，EPS 模样的分解产物以液态为主，其分子量大、粘度 高和流动性差，此时涂层的润湿性和透气性对镁合金充型速度的影响相对较明显。 文献25指出，涂层对充型速度的影响与铸件几何形状密切相关，当模样的模数小于 0.6 时，充型速度随涂料的透气性的提高而增大；当模样的模数大于0.6时，涂层可 供分解产物逸出的暴露面积相对较小，其对充型速度的影响显著下降。 此外，涂层绝热性能也会影响充型前沿液态金属的流动形态及模样液态分解产 物的温度，从而影响金属液的流速和模样的分解速度及液态分解产物的逸出速度， 进而影响充型速度26。在目前进行的镁合金
45、消失模铸造充型研究中，涂料性能并不 只作为单一因素影响铸件的充型，它还与浇注温度、真空度等其他工艺因素有较强 的交互作用，这些因素的不合理匹配是镁合金消失模铸件中浇不足、冷隔和粘砂等 缺陷形成的直接原因。 3）浇注温度的影响 提高浇注温度增大了泡沫的热解速度，同时有助于抵消因泡沫热解所造成的金 属前沿的热损失，有利于金属充型速度的提高。文献介绍27-29，铝、铸铁等消失模 铸造过程中的充型速度几乎随浇注温度的升高而呈线性增加趋势。吴和保研究了真 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 8 空低压下各工艺因素对AZ91D 镁合金消失模铸造合
46、金流动性的影响17,30，最初随着 浇铸温度升高，充型速度快速增加，但当温度进一步提高时，充型速度增加趋势变 缓。这主要是由于在镁合金的浇注温度范围内，液态金属前沿的热解产物主要为熔 融液态产物，气态产物的数量相对较少，因此模样熔融速率与熔融产物排出型腔速 率间的平衡直接决定了消失模铸造的充型速度。当低温浇注时，随着浇注温度的升 高，模样的热解速度加快，界面前沿推移速度提高；但随着浇注温度进一步升高， 大量产生的气态产物会造成模样热解产物的排出速度下降，这些气态产物在液态金 属流动前沿会产生较大的反压力，阻碍了液态金属的充填，从而导致充型速度增幅 变慢，甚至使得充型速度下降。 4）真空度的影响
47、 重力消失模铸造过程中，由于密度较低的镁合金液产生的金属压头较小，使得 液态产物在金属-模样界面间的传输缓慢，而且到达金属-模样-涂料界面的大部分液 态产物也因难以通过狭窄的涂料通道迅速渗出涂料层而积聚在金属-模样-涂料界面 附近。而这些积聚的液态产物增加了金属液的流动阻力和传热阻力，延长了流动金 属前沿处液态产物持续覆盖在涂料表面上的时间，并且在金属-模样界面间将形成较 多的气态产物，对流动金属液产生较大的反压力31-32 。因此抽真空对于像镁合金这 样热容量较小、熔点又较低金属的消失模铸造尤其具有特别重要意义。 Faoyinu采用AZ91E浇注壳体的试验表明33，如果浇注过程中不采用真空，
48、那么 即使在780的高温下也不能完全浇注成形；如果浇注过程中采用-70KPa-80KPa的 真空，在金属液过热100的情况下，壁厚2mm处都可以浇注成形。刘子利等人研究 了不同真空度下充型速度的变化11（如图1-4所示）。结果表明：不抽真空时平均充 型速度很小，在真空度较低时平均充型速度随真空度的提高迅速增大，并且真空度 的影响在浇注温度较高时更为显著；当真空度增大到一定程度以后，平均充型速度 随真空度的进一步提高只是稍有增大。 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 9 图图1-4 真空度对真空度对AZ91镁合金消失模铸件平均速度的影响镁合金消失模铸件平均速度的影响 此外，真空度的高低还直接影响其它工艺因素对充型速度的影响程度。真空度 较低时，真空度与浇注温度对充型速度的影响存在极强的交互作用，随着浇注温度 提高，平均充型速度迅速增大，其增大速率随真空度的提高而提高。而在较高真空 度下，平均充型速度仍随浇注温度的提高而增大，但增大速率却随真空度的进一步 提
